С учетом особенностей производства и эксплуатации греб­ных винтов материалы для их изготовления должны обладать следующими общими свойствами:

высокими механическими качествами, т. с. прочностью и пластичностью, обеспечивающими возможность противостоять усталостным нагрузкам, воспринимаемым лопастями;

повышенной коррозионной и эрозионной стойкостью и спо­собностью сохранять первоначальную чистоту поверхности про­должительное время;

высокими технологическими качествами, т. е. хорошими ли­тейными свойствами и легкостью обработки режущим инстру­ментом;

ремонтопригодностью - способностью легко подвергаться правке, заварке, наплавке и т. д.

Материалами для изготовления гребных винтов служат цветные сплавы и нержавеющие стали. Учитывая дефицитность цветных сплавов и высокую стоимость нержавеющей стали, вопреки требованиям эксплуатации, гребные винты изготовляют пока и из углеродистой стали. В качестве опытных материалов применяют пластмассы и титан.

Углеродистая сталь марок 25Л, ЗОЛ и 35Л обладает крайне низкими коррозионными свойствами. Винты, изготовленные из нее, выходят из строя вследствие коррозионного износа через 6-18 мес. Применение этого материала целесообразно лишь на судах, эксплуатирующихся в тяжелых ледовых условиях или подлежащих списанию в ближайшие годы. В целях повы­шения коррозионной стойкости и усталостной прочности греб­ных винтов из углеродистой стали в настоящее время осуще­ствляется внедрение электролитических покрытий из специаль­ных сплавов, наносимых на лопасти по методу инж. М. И. Дворкина.

В соответствии с классификацией Международной ассоциа­ции классификационных обществ (МАКО) цветные сплавы для изготовления гребных винтов разделяют на четыре категории с различным нижним уровнем механических свойств (табл. 3.3).

Из латуней в отечественной практике наиболее распростра­нена марганцовисто-железистая латунь марки ЛМцЖ55-3-1, химический состав и механические свойства которой приведены и табл. 3.5. Эта латунь обладает хорошими литейными, но низ­кими коррозионно-усталостными свойствами; ее условный пре­дел коррозионной выносливости в морской воде a σ -1 =(8.5-10) кгс/мм 2 = 80- 100 на базе 10 6 . Наиболее серьезными недостатками этой латуни являются следующие:

обесцинкование, т. е. выделение цинка из сплава при отсут­ствии протекторной защиты. Следствием обесцинкования явля­ются трещины и разрушения поверхности лопасти;

склонность к коррозионному растрескиванию, т. е. к разру­шению, вызванному перенапряжением материала при совмест­ном действии внутренних растягивающих напряжений и корро­зионной среды (морской воды).

Внутренние растягивающие напряжения возникают в ре­зультате нагрева и последующего охлаждения металла при сварке или правке. Они достигают значительной величины и могут быть ориентировочно оценены по формуле

где / - температура нагрева.

В лопастях из материалов, склонных к коррозионному рас­трескиванию, возникают трещины через 10 недель и более после нагрева, даже без приложения рабочих нагрузок. Склон­ность к коррозионному растрескиванию приводит к разруше­нию лопастей, если своевременно не снять внутренние напря­жения термической обработкой.

Недостаточный учет при проектировании и изготовлении гребных винтов низких коррозионно-усталостных свойств ла­туни ЛМцЖ55-3-1 и ее склонности к коррозионному растрески­ванию послужил причиной большого числа аварий гребных винтов на отечественных судах (рис. 3.51). Латунь ЛМцЖ55-3-1 при условии учета этих факторов целесообразно применять для изготовления гребных винтов средних размеров.

Взамен недостаточно коррозионно-стойкой углеродистой стали разработана и широко применяется отечественная не­ржавеющая сталь марки 1Х14НДЛ (табл. 3.4). Этот сплав обладает сравнительно высокими коррозионно-усталостными свойствами {предел коррозионной выносливости 0_i~ - 15 кгс/мм 2 на базе 10 6 циклов} при условии хо­рошей обработки поверхности лопастей. Учитывая технологи­ческие трудности при выполнении такой обработки, поверх­ность лопастей из этого сплава обычно только зачищают абра­зивами. Очень чувствительная к надрезам нержавеющая сталь 1Х14НДЛ в изделии фактически обладает o_i = 7,5-f-8 кгс/мм 2 на базе 10 6 . Это ее свойство также явилось при­чиной разрушений лопастей гребных винтов вследствие израс­ходования ресурса циклической прочности на ряде отечествен­ных судов («Ленинский комсомол», «Мелитополь» и др.).

Наиболее перспективными и качественными материалами для изготовления гребных винтов являются специальные сплавы, в том числе никель-алюминиевые, и в еще большей степени марганцовисто-алюминиевые бронзы. Промышленностью освоено производство гребных винтов из следующих отечественных сплавов:

никель-алюминиевая бронза БрАЖН9-4-4;

марганцовисто-алюминиевые бронзы «Нева-60» и «Нева-70». Состав и физические свойства этих сплавов приведены в табл. 3.5.

Эти сплавы обладают значительно более высокой, по срав­нению с латунью, стойкостью против коррозионных и эрозион­ных разрушений и существенно большей коррозионно-усталост-ной выносливостью.

Никель-алюминиевые бронзы не склонны к коррозионному растрескиванию, т. е. после нагрева не требуют термообра­ботки; однако они становятся хрупкими при нагреве от 200 до 500°. Если лопасть гребного винта из такой бронзы нагреть в пределах этого диапазона температур, то она теряет свои пластические свойства (рис.3.52) и при приложении на­грузки (например, при правке) может сломаться. По­сле увеличения температуры нагрева до 700° С и выше пла­стические свойства этого ма­териала повышаются.

Марганцовисто-алюминие-вые бронзы не склонны к ох-рупчиванию при нагреве (см. рис. 3.52), но значительно в меньшей степени, чем ла­туни, они подвержены корро­зионному растрескиванию.

Высокие требования, предъ­являемые к материалам и к точности изготовления греб­ных винтов, явились причиной

покупки лицензии на материалы и технологию изготовления гребных винтов английской специализированной фирмы «Стоун».

Лицензионные сплавы аналогичны по свойствам соответст­вующим отечественным материалам. Они носят названия: ни­кель-алюминиевая бронза - «Никалиум»; марганцовисто-алюмипиевые бронзы - «Новостон» и «Суперстон-70».

На отечественных морских судах зарубежной постройки установлены гребные винты, изготовленные на специализиро­ванных заводах фирм ЛИПС (Голландия), «Теодор Цайзе» (ФРГ), «Стоун» (Англия), «Ансальдо» (Италия), «Мицубиси» (Япония), «Сосьсте Нантез де Фонтье» (Франция) и др.

Наиболее распространенные сплавы, применяемые этими фирмами, имеют следующие названия или обозначения:

никель-алюминиевые бронзы «Куниал» (фирма ЛИПС), «Алькуник» (фирма «Теодор Цайзе»), «Мицуби» (компания «Мицубиси»), «Ниальма» («Ансальдо»), «Нантиал» («Сосьсте Нантез де Фонтье»);

марганцовисто-алюминиевые бронзы «Линдрунел» (ЛИПС); AI-MnBzl3 («Теодор Цайзе»); «Мангал-99» («Сосьете Нан­тез») .

Изготовленные из зарубежных нержавеющих сталей греб ные винты установлены в основном только на судах, построен ных в Финляндии. Эти винты из стали «Кархула 15С130» обладающей более низкими, чем стали 1Х14НДЛ, коррозионно усталостными свойствами, и из еще менее качественной мало углеродистой легированной стали, содержащей 3% Ni.

Корабельные винты - гидрореактивные движители. Они создают силу тяги за счет реакции масс воды, отбрасы­ваемых в сторону, противоположную движению корабля. Рабочими органами винта, воспринимающими реакцию воды, являются лопасти.

Гребные винты могут иметь три, четыре лопасти и бо­лее, укрепленные на ступице на одинаковых угловых расстояниях одна от другой. Поверхность лопасти, обра­щенная в нос, называется засасывающей, а поверх­ность, обращенная в корму,- нагнетающей. Передняя кромка лопасти называется входящей, а задняя - выходящей.

По своей конструкции винты бывают трех типов: цель­нолитые, со съемными лопастями, с поворотными лопастями. Винты цельнолитые и со съемными лопастями относятся к винтам фиксированного шага (ВФШ), винты с по­воротными лопастями - к винтам регулируемого шага (ВРШ) Винты фиксированного шага делятся на винты правого и левого вращения. Винт правого вращения на переднем ходу, если смотреть с кормы, вращается по часовой стрелке, винт левого вращения - наоборот.

Основными геометрическими характеристиками винта являются:

Диаметр винта D - диаметр окружности, описывае­мой наиболее удаленными точками лопастей. У военных кораблей колеблется в пределах от 0,6 до 5 м.

Площадь диска винта Ad - площадь круга, ометаемого гребным винтом при его вращении:

Геометрический шаг винта H - линейное расстояние по оси винта, которое проходила бы ступица за один полный оборот при вращении в плотной среде. Величина шаго­вого отношения H/D у винтов имеет значение от 0,8 до 1,8.

Величина дискового отношения A/Ad колеблется от 0,35 (винты тихоходных кораблей) до 1,20 (винты быстроход­ных кораблей), где А - суммарная площадь спрямленной поверхности всех лопастей винта.

Взаимодействие гребного винта с корпусом корабля и рулем

Гидромеханическое взаимодействие системы корпус - винт - руль очень сложно. Движитель, работающий вбли­зи корпуса корабля, существенно изменяет его поле ско­ростей, что приводит к изменению гидродинамических сил, действующих на корпус. В свою очередь, поток воды, набегающий на винт, получает возмущения от корпуса пе­ремещающегося корабля. Существенное влияние винт так­же оказывает на расположенный позади него руль. В ре­зультате взаимодействия системы корпус - винт - руль возникает целый ряд боковых сил, которые необходимо постоянно учитывать и рационально использовать при управлении маневрами корабля .

Сила попутного потока

Движущийся в воде корпус вызывает попутный поток, направленный в сторону движения корабля. Причины его появления - трение пограничных слоев воды о корпус ко­рабля и стремление масс воды заполнить объем, вытес­ненный корпусом. Между скоростью попутного потока в месте расположения винта Vp и скоростью хода кораб­ля V существует соотношение Vp - V (1 - ω), где - ω коэффициент попутного потока. Его значения для различ­ных кораблей могут изменяться от 0,10 до 1,00. Таким об­разом, влияние корпуса на винт сводится к уменьшению скорости обтекания винта. Экспериментально установлено, что в верхней половине диска винта скорость попутного потока больше, чем в нижней. Неравномерность поля скоростей попутного потока в диске винта за один оборот вызывает изменение угла атаки и соответственно сил упо­ра и момента на лопастях, проходящих верхнее и нижнее положения. Так, лопасть, находящаяся в верхнем поло­жении, будет иметь больший угол атаки и соответственно большее сопротивление вращению, чем лопасть, находя­щаяся в нижнем положении. В результате возникает бо­ковая сила, которая на переднем установившемся ходу (винт правого вращения) будет уклонять корму корабля влево.

Сила попутного потока b проявляет себя в наибольшей степени на переднем установившемся ходу, вызывая укло­нение кормы корабля в сторону, обратную вращению винта.

Сила реакции D

Лопасти гребного винта, проходящие верхнее положе­ние, находятся значительно ближе к поверхности воды, чем лопасти, проходящие нижнее положение. В результате этого происходит засасывание воздуха в верхние слои воды, что значительно изменяет силовые характеристики лопасти (упор и момент).

Влияние близости поверхности воды наиболее сущест­венно проявляется при малом заглублении винта (у транс­портных судов, следующих в балласте, лопасть в верхнем положении вообще выходит из воды), в период неустано­вившегося движения (дача хода со «стопа»), при ревер­сах Разность упора и момента на верхней и нижней ло­пастях приводит к образованию боковой силы реакции D. На установившемся ходу и с увеличением заглубления винта действие силы реакции резко уменьшается.

Сила реакции D проявляется в наибольшей степени в период неустановившегося движения, вызывая уклонение кормы в сторону вращения винта.

Сила набрасываемой струи С

Гребной винт при вращении закручивает прилегающие к лопастям массы воды и отбрасывает их, образуя мощ­ный спиральный поток. При движении корабля вперед этот поток воздействует на расположенный позади винта руль. При движении задним ходом поток воздействует на кормовой подзор корабля. Образованный винтом спираль­ный поток можно представить в осевой (аксиальной) и касательной (тангенциальной) составляющих. Аксиальная составляющая, воздействуя на расположенный за винтом руль, значительно повышает его эффективность и ника­ких боковых сил не вызывает. При движении корабля задним ходом аксиальная составляющая, воздействуя на симметричные обводы кормы, также никаких боковых сил не вызывает.

Тангенциальная составляющая на переднем ходу воз­действует на перо руля в левой верхней и правой нижней половинах.

Из-за несимметричности распределения попутного по­тока по осадке корабля, а следовательно, и вызванных окружных скоростей в потоке, натекающем на руль, воз­действие тангенциальной составляющей на правую нижнюю половину руля будет больше, чем на левую верхнюю. В ре­зультате возникает боковая сила набрасываемой струи С.

Сила набрасываемой струи С проявляется в наиболь­шей степени на установившемся ходу, вызывая при дви­жении корабля вперед уклонение кормы в сторону, обрат­ную вращению винта.

На заднем ходу обтекание кормовой оконечности пото­ком будет также несимметричным в диске винта. В пра­вой верхней половине диска винта поток обтекает кормо­вую оконечность с большей полнотой, чем в левой ниж­ней. В результате также возникает боковая сила набра­сываемой струи.

На заднем установившемся ходу сила набрасываемой струи С вызывает уклонение кормы в сторону вращения винта.

К важнейшим составным частям судовых энергетических установок относятся элементы передачи мощности. Под этим понимаются все элементы, участвующие в передаче крутящего момента от коленчатого вала или ротора в турбинах к гребному винту. Типовая дизельная энергетическая установка с двумя среднеоборотными дизелями показана на рисунке. Она включает в себя муфты, одноступенчатый редуктор, валопровод и гребной винт. В энергетических установках с малооборотными дизелями редуктор отсутствует, в турбинных и энергетических установках с высокооборотными дизелями ставят двух- и трехступенчатые редукторы. В дизель- и турбоэлектрических энергетических установках предусмотрены электродвигатели.

Дизель-редукторная энергетическая установка со среднеоборотными дизелями

1 - муфте; 2 - редуктор; 3 - валопровод; 4 - гребной винт

Муфта соединяет узлы, выполняющие вращательные движения. Муфта предназначена для передачи крутящего момента от ведущего вала к ведомому, а также для сглаживания незначительных продольных, радиальных, угловых отклонений и крутильных колебаний. В зависимости от конструкции, назначения и принципа действия различают жесткие (глухие), упругие, фрикционные, гидродинамические и электромагнитные муфты. В судовых установках встречаются все виды муфт в зависимости от типа, мощности и конструкции главного двигателя. В установках, не имеющих передаточных механизмов (например, в малооборотных дизелях), чаще всего применяют жесткие муфты (рис. а, b). Фланцы жесткой муфты в разогретом состоянии запрессованы на вал или на конус и дополнительно зафиксированы призматической шпонкой. В энергетических установках с редуктором связь между редуктором и двигателем, а также с валом гребного винта осуществляется со стороны двигателя чаще всего через соединительную муфту, а со стороны гребного винта - через разобщительную. На рис. е показана упругая муфта. Она состоит из двух оснований, соединенных между собой гибкими прокладками, изготовленными из специальной резины. Такие муфты винтами крепятся к фланцам вала. Они могут передавать моменты независимо от направления вращения. За счет гибких вкладышей возможно выравнивание при перекашивании валов относительно друг друга.

Работа гидродинамических муфт основывается на гидравлическом принципе, схематично показанном на рис. с. Это можно представить себе так: насос, приводимый в движение двигателем, отсасывает жидкость из резервуара, и нагнетает ее в турбину. Жидкость под определенным давлением протекает через лопатки турбины, приводя ее в движение, и затем течет обратно в резервуар. При одинаковых размерах роторов насоса и турбины агрегат работает как гидравлическая муфта, при различных - он превращается в гидротрансформаторную передачу, позволяющую изменять частоту вращения ведомого вала. На практике роторы насосов и турбин находятся в специальном корпусе (рис. d). Действие гидродинамической муфты основывается на энергообмене между двумя полумуфтами (рис. d) с помощью рабочей среды и циркуляции жидкости. Эта циркуляция возникает только в том случае, когда первичная сторона и турбина имеют равные частоты вращения. У гидравлических муфт, используемых на судах, это скольжение составляет от 1,5 до 3%.

Судовые муфты

а, b - жесткие (глухие) муфты: 1 - полумуфта; 2 - фланец; 3 - шпоночная канавка со шпонкой. с - схема гидромуфты: 1, 2 - насосы; 3 - цистерна. d - схема гидромуфты (турбо-муфты); е - гибкая муфта. 4 - фланец; 5 - элемент муфты. f - электромагнитная муфта.

В судовых главных двигателях довольно часто применяют также электромагнитные индукционные скользящие муфты. Принцип действия подобной муфты состоит в использовании вращающего момента, возникающего вследствие воздействия вращающегося магнитного поля на индукционные токи. Внутренняя часть муфты расположена на ведущем вале. Обмотки полюсов через щетки и контактные кольца питаются постоянным током. Внешняя часть муфты имеет обмотку в виде беличьей клетки. Когда внешняя часть, приводимая в движение двигателем через вал, начинает вращаться и возбуждается, она вместе с валом, связанным с ней и ведущим, например, к редуктору, попадает в область вращения магнитного поля. За счет этого в обмотке типа беличьей клетки этой части муфты возникают индукционные токи. Эти токи, взаимодействуя с силовыми линиями магнитного поля, обусловливают возникновение момента вращения, вследствие чего внешняя часть муфты начинает вращаться вместе с внутренней. Таким образом вращение, мощность и момент вращения передаются от двигателя к валу редуктора. Часть муфты с обмоткой типа беличьей клетки должна - аналогично гидродинамической и электромагнитной муфте - вращаться медленнее, чем вращающееся магнитное поле, так как при одинаковой скорости вращения обеих частей не могли бы возникнуть индуктированные токи и передача вращающего момента была бы невозможна. Поэтому и в данном случае имеет место так называемое скольжение муфты. Редуктор главного двигателя должен передавать момент вращения и так изменять его частоту вращения, чтобы она имела оптимальную величину, необходимую для нормальной работы гребного винта. На судах чаще всего применяют механические редукторы, состоящие из зубчатых колес. С введением планетарного редуктора появилась возможность значительно уменьшить размеры и общую массу. В последнее время на новых судах все чаще используют планетарные редукторы в энергетических установках со среднеоборотными дизелями, газовыми или паровыми турбинами.

Механический судовой редуктор

а - суммирующий; b - планетарный. 1 - вал турбины высокого давления; 2 - вал турбины низкого давления; 3, 5, 8, 9 - центральные солнечные шестерни; 4 - водило; 6 - свободный эпицикл; 7 - вал; 10 - тормозной эпицикл; 11 - свободное водило; 12 - полый вал; 13 - зубчатые колеса (3-я ступень); 14 - приводное зубчатое колесо гребного вала; 15 - гребной вал; 16 - гребной винт

Валопровод соединяет приводной двигатель с гребным винтом. Гребной вал, который в зависимости от расположения машинного отделения на судне может состоять из одной или нескольких соединенных через глухие муфты частей, должен передавать момент вращения двигателя на гребной винт. Гребной вал опирается на радиальные подшипники. Концевая часть проходит в уплотнительном сальнике, который предохраняет туннель гребного вала от попадания морской воды. На конусообразной концевой части гребного вала закреплен гребной винт (рис. а). Осевое давление, действующее со стороны гребного винта и передаваемое дальше через вал, воспринимается упорным подшипником. Принцип действия упорного подшипника изображен на рис. d-е. Такой подшипник старого типа состоит из взаимодействующего с опорными поверхностями гребня давления; опорные поверхности залиты металлом. На переднем ходу функционирует одна поверхность гребня давления, на заднем - другая.

Валопровод

а - общий вид; b - полумуфта; с - упорный подшипник; d, e - принцип действия упорного подшипника. 1 - гребной вал; 2 - сальник; 3 - полу- подшипник; 6 - переборочный сальник; 7 - муфта; 4 - промежуточный вал; 5 - опорный упорный подшипник; 8 - упорный вал

Гребной винт в настоящее время является почти единственным типом движителя. Он состоит из нескольких лопастей, радиально укрепленных на ступице. Во время вращения гребного винта вокруг своей оси на лопастях возникает сила давления, которая в конечном итоге обусловливает движение судна. Характерной величиной гребного винта является шаг. Его теоретическое значение, т. е. без учета скольжения, зависит от угла атаки лопасти гребного винта. Для достижения хорошего взаимодействия между главным двигателем и гребным винтом необходимо, чтобы параметры и особенно шаг винта имели определенные значения. Оптимальное взаимодействие будет достигнуто лишь при определенном состоянии нагрузки судна и при определенных погодных условиях (ветер, волнение и т. д.). Если эти значения отклоняются от заданных, то взаимодействие двигателя и гребного винта не приносит результата, заложенного в проекте. На практике это означает, что взаимодействие двигателя и относящегося к нему гребного винта будет наиболее эффективным, например, при полной нагрузке судна и при хорошей погоде. На судах, работающих в изменяющихся условиях, таких как буксиры или рыболовные суда (свободный ход, ход с тралом), движитель должен быть приспособлен к соответствующим условиям работы. Вместе с тем стало бы возможным одновременное использование полной мощности приводного двигателя при различных состояниях его нагрузки.

Судовой движитель

а - гребной винт с неподвижными лопастями; b - винт регулируемого шага; с - гребной винт в насадке; d - соосные гребные винты

Лопасти винта фиксированного шага отлиты вместе со ступицей или прочно привинчены к ней (см. рис. а). Изменять шаг можно на гребных винтах регулируемого шага ВРШ (рис. b). Лопасти гребного винта расположены на криволинейных дисках и укреплены на ступице винта так, что они могут поворачиваться. Применение ВРШ позволяет использовать нереверсивные двигатели в качестве судовых. Они могут работать и при постоянной частоте вращения, так как в этом случае можно осуществлять все маневры путем изменения угла атаки, т. е. от самого большого шага винта на переднем ходу, когда лопасти находятся в таком положении, что несмотря на вращение гребного винта, тяга не появляется (и поэтому судно не движется), до положения лопастей, соответствующего заднему ходу. Вначале ВРШ применяли только на буксирах, рыболовных и специальных судах, и только позднее их начали устанавливать на судах торгового флота. За счет установки ВРШ достигаются большая экономичность энергетических установок, возможность использования полной мощности двигателя при различной нагрузке, а также возможность применения нереверсивных ДВС или паровых турбин без турбин заднего хода. К преимуществам следует также отнести и возможность осуществления заднего хода при полной мощности двигателя.

Иногда на судах (особенно на судах речного флота) гребной винт устанавливают в насадке (см. рис. с). Такая конструкция позволяет улучшить уелввия работы гребного винта и повысить КПД. Диаметр судового движителя может достигать 9 м, а масса - 50 т. Гребные винты регулируемого шага имеют меньший диаметр. Преобладающее число судов имеет только один гребной винт, устанавливаемый в диаметральной плоскости судна. Встречаются также двухвинтовые суда, которые приводятся в движение либо от двух малооборотных, либо от четырех среднеоборотных дизелей, причем в последнем случае один гребной винт приводится в движение двумя двигателями. В редких случаях строятся трехвинтовые суда, например торпедные катера, на которых два бортовых движителя, приводятся в движение от высокооборотных дизелей через редукторную передачу, а средний гребной винт - от газовой турбины. Некоторые большие пассажирские суда и боевые корабли, например авианосцы, снабжаются четырьмя симметрично расположенными гребными винтами. В условиях постоянно растущих мощностей главных двигателей требуются гребные винты очень больших диаметров, что приводит к технологическим и производственным трудностям. Чтобы противодействовать этому и улучшить КПД, пытаются «устанавливать движители, вращающиеся в противоположных направлениях (см. рис. d). В этом случае необходимы сложные устройства, такие как полые гребные валы и специальные редукторные передачи. Наряду с гребными винтами в последнее время применяют крыльчатые движители. Они состоят из нескольких вращающихся навесных лопаткообразных лопастей изменяющегося профиля, укрепленных на плоском рабочем колесе. Рабочее колесо приводится в движение главным двигателем через гипоидный зубчатый редуктор. Вращающиеся лопаткообразные лопасти создают силу упора, действующую в направлении, зависящем от угла установки лопастей, как показано на рис. а. Во время работы движителя можно плавно изменять угол атаки лопастей.

Крыльчатый движитель

а - принцип действия; b - движитель Фойта-Шнейдера (вид сбоку); с - движитель Фойта Шнейдера (вид сверху); d - буксир с движителем Фойта-Шнейдера в носовой части судна; е - буксир с движителем Фойта-Шнейдера в кормовой части судна

I - «Стоп»; 2 - «Передний ход»; 3 - «Задний ход»; 4 - «Поворот на левый борт»; 5 - «Поворот на левый борт» (на заднем ходу); 6 - «Поворот на правый борт»; 7 - управляющий механизм; 8 - привод; 9 - лопасти; 10 - распределительные рычаги и тяги

Крыльчатый движитель может служить как в качестве пропульсивного движителя, так и в качестве руля. Судно, оснащенное двумя симметрично расположенными движителями, может двигаться в любом направлении. Недостатком является частая повреждаемость лопаткообразных лопастей, выступающих ниже днища судна. Крыльчатый движитель в основном используется на портовых буксирах и лоцманских судах, а также на судах портовой службы. Мощность подобных установок невелика: максимально она составляет 2200 кВт.

§ 13. Судовые движители

Движителями называются специальные устройства, преобразующие механическую работу судовой силовой установки в упорное давление, преодолевающее сопротивления и создающее поступательное движение судна.

На судах в качестве движителей применяются: гребные винты, крыльчатые движители и водометные движители. Находят применение также паруса, гребные колеса и другие движители.

По принципу действия движители разделяют на активные, к которым относят паруса, непосредственно преобразующие энергию ветра в поступательное движение судна, и реактивные - все остальные, так как создаваемое ими упорное давление получается в результате реакции масс воды, отбрасываемой в сторону, противоположную движению судна.

Наиболее распространенными благодаря простоте устройства и работы, компактности, надежности в эксплуатации и наибольшему коэффициенту полезного действия являются гребные винты. В зависимости от конструкции их подразделяют на два типа: цельные винты (ступица с лопастями изготовляется совместно) и винты со съемными лопастями , применяемые на судах, плавающих во льдах. Такие винты называются винтами фиксированного шага, а винты, имеющие механизмы, поворачивающие лопасти в ступице и изменяющие шаг винта, называются винтами регулируемого шага.

Шагом винта называется путь в направлении оси, который проходит любая точка поверхности винта за один его оборот.

Гребные винты фиксированного шага - ВФШ (рис. 27) изготовляют цельными (одной деталью), литыми, сварными или штампованными, и они состоят из следующих основных элементов: ступицы , представляющей собой втулку, наеаживаемую на конус шейки гребного вала, и лопастей (от 3 до 6), радиально расположенных на ступице. Нижняя часть лопасти, соединяющая ее со ступицей, называется корнем лопасти; верхняя часть - вершиной или концом; поверхность лопасти, обращенная в сторону корпуса судна, носит название засасывающей поверхности, обратная поверхность - нагнетающей, которая в большинстве случаев представляет собой правильную винтовую поверхность. Пересечение этих двух поверхностей образует кромки лопастей.

Рис. 27. Гребной винт фиксированного шага (ВФШ) и схема создания упорного давления элементарной площадкой лопасти винта.

Диаметром гребного винта D называется диаметр окружности, описанной вершиной лопасти. Диаметр винта крупных судов доходит до 6,0 м и более.

Применяют гребные винты правого и левого вращения, их различают по общим правилам: если винт завинчивается вращением по часовой стрелке, то он называется винтом правого вращения, а если против часовой стрелки - винтом левого вращения.

При вращении винта его лопасти отбрасывают массы воды в одну из сторон. Реакция этой воды воспринимается нагнетающей поверхностью лопасти, создающей упор винта, который через ступицу и гребной вал передается на упорный подшипник, преобразуясь в силу, движущую судно.

Чтобы понять, как возникает упорное движение при вращении винта (рис. 27), рассмотрим те силы, которые действуют при этом на элементарной площадке его лопасти, двигающейся по окружности со скоростью v 0 И одновременно перемещающейся вместе с судном со скоростью v 1 . Угол а, образовавшийся между результирующей этих сил v и хордой рассматриваемой элементарной площади лопасти, будет углом атаки, создающим на ней подъемную силу R. Если разложить эту силу на составляющие, то одна составляющая -сила Р, действующая по направлению движения судна, и будет силой-упора, а вторая-сила T, действующая по окружности в сторону, обратную вращению винта, создает момент относительно его оси, который преодолевается судовым двигателем.

Рис. 28. Гребной винт регулируемого шага (ВРШ) с поворотношатунным механизмом изменения шага. 1 - лопасти винта; 2- ступица; 3- гребной вал; 4 - ползун со штангой; 5 - палец шатуна; 6 -подшипник лопастной заделки; 7 - обтекатель винта.

Гребной винт регулируемого шага (ВРШ) имеет конструкцию, обеспечивающую поворот лопастей в ступице во время работы винта на ходу судна из поста управления, расположенного в рубке. При повороте лопастей, осуществляемом механизмом по многообразным кинематическим схемам (одна из которых-поворотно-шатунная-приведена на рис. 28), изменяется шаг винта, отчего изменяется и величина создаваемого им упора, увеличивающего или уменьшающего скорость хода, и направление движения судна, при этом число оборотов, мощность главной машины и направление ее вращения остаются неизменными.

Использование винтов регулируемого шага допускает применение на судах нереверсивных главных машин с упрощенной системой обслуживания, что сокращает износ их цилиндров примерно на 30-40% (возникающий у реверсивных машин от частого изменения режима работы и направления вращения), позволяет полнее использовать мощность машин и поддерживать высокое значение к. п. д. винта.

Рис. 29. Крыльчатый движитель: а - конструктивная схема; б - размещение движителя на судне. 1 - несущий диск; 2 - поворотные лопасти; 3 - ведомая шестерня, приводящая во вращение диск; 4 - гидравлическое устройство управления маятниковым рычагом; 5 - маятниковый рычаг, изменяющий положение лопастей вокруг своей оси; 6 - гребной вал с ведущей конической шестерней.

Суда с ВРШ обладают гораздо более высокими маневренными качествами, чем суда с ВФШ.

Крыльчатый движитель (рис. 29) представляет собою конструктивное устройство, состоящее из горизонтально вращающегося цилиндра с вертикально расположенными на нем 6-8 лопастями мечевидной, обтекаемой формы, поворачивающимися вокруг своих осей маятниковым рычагом, управляемым из рулевой рубки.

При вращении диска на лопастях, как на крыле, возникает подъемная сила, составляющая которой создает упорное давление. При повороте лопастей изменяется величина упора и его направление, что дает возможность варьировать направление движения судна без помощи руля (на судне с этим движителем руль не устанавливается), а также величину упора движителя от «Полного вперед» до «Полного назад» или останавливать судно, не изменяя скорости и направления вращения (без реверса) главной силовой установки.

К. п. д. крыльчатого движителя почти равен к. п. д. гребного винта, но крыльчатый движитель значительно сложнее по конструкции. Выступающие лопасти часто ломаются. Однако в последнее время этот движитель находит все более широкое применение, обеспечивая судам хорошую маневренность, позволяющую им свободно работать в узкостях.

Водометный движитель относится к серии водопроточных движителей. Современные водометные движители делают трех типов: с выбросом водяной струи в воду, в атмосферу и с полуподводным выбросом .

Гребной винт работает как насос, засасывающий воду в канал через трубу, проходящую в днище корпуса впереди винта. Для защиты от попадания на винт посторонних предметов в начале канала укрепляется защитная решетка.

Для уменьшения потерь от закручивания гребным винтом водного потока и повышения к. п. д. движителя за винтом устанавливается контрпропеллер. Направление хода судна изменяется перекладкой реверс-руля.

Коэффициент полезного действия такого движителя составляет только 35-45%, а отсутствие всяких выступающих частей в подводной части судна обеспечивает ему большую проходимость на мелководье, в узкостях и на засоренных фарватерах. Для судна с таким движителем не являются препятствием даже плавающие предметы, через которые оно свободно переходит.

Перечисленные преимущества водометного движителя сделали его применение особенно удобным на речных судах, в первую очередь на лесосплаве.

В последние годы водометные движители стали применяться и на быстроходных судах, таких, как суда на подводных крыльях, развивающие скорость хода до 95 км/час.

Использование современных паровых и газовых турбин позволяет успешно применить водометные движители на крупных морских судах, где по расчетам пропульсивный к. п. д. может достичь около 83%, что на 11% выше пропульсивного коэффициента гребного винта, запроектированного для того же судна.

К недостаткам судов с этим движителем следует отнести потери судном грузоподъемности на величину веса прокачиваемой воды и потери объема внутренних помещений, занимаемого каналом.

Выбор геометрических характеристик, числа винтов и направления их вращения. Для морских транспортных судов обычно КПД винта увеличивается с ростом его диаметра. Это объясняется снижением коэффициента нагрузки при фиксированных значениях упора и скорости движения. Поэтому диаметр винта выбирают максимально возможным из условия его размещения в кормовой оконечности судна. В первом приближении для винта в ДП судна можно принимать D = (0,680,75)Т, для бортового, при двухвальной установке, D = (0,62 0,70) Т, где Т -- осадка судна.

При выборе числа лопастей гребного винта руководствуются соображениями, чтобы лопастная и удвоенная лопастная частоты не совпадали с собственными частотами первых трех тонов колебаний корпуса и основных его конструкций. В этом, случае удается избежать интенсивной вибрации корпуса, вызываемой работой гребного винта. Если информация об указанных частотах отсутствует, для винтов в ДП принимают Z p 4, а для бортовых в зависимости от нагрузки: при K dt >2 (или K nt >1), что соответствует слабонагруженным винтам, берут Z p = 3, для меньших значений этих коэффициентов

Zp = 4. Необоснованное увеличение Zp нерационально по двум причинам: возрастает трудоемкость изготовления винта и несколько снижается его КПД. Последнее обстоятельство имеет место в связи с тем, что для обеспечения равного запаса на кавитацию увеличение числа лопастей влечет за собой и увеличение дискового отношения.

Относительная толщина лопасти в самом широком месте (г = 0,6 - 0,7) не должна превышать предельного значения б mах, до которого КПД еще имеет приемлемое значение. При соблюдении этого условия минимальное дисковое отношение обеспечивающее прочность винт

где d H , D -- диаметр ступицы и винта соответственно, м; бmах =0,080,09; m-коэффициент, учитывающий условия работы винта (m=-1,15 для транспортных судов; m=1,5 для буксиров, m = 1,75 для судов ледового плавания, m = 2,0 для ледоколов); Т -- упор винта, кН; [у] --допускаемые напряжения, для винтов транспортных судов можно принимать [у] =6·10 4 кПа.

Увеличение дискового отношения приводит к падению КПД. Поэтому его выбирают так, чтобы выполнить требования обеспечения прочности (20.1) и отсутствия вредных последствий кавитации (19.24). Как правило, у гребных винтов транспортных судов определяющим является последнее.

Пропульсивный коэффициент винта в ДП обычно больше, чем при бортовом расположении. В связи с этим одновальной установке следует отдать предпочтение перед многовальной. В пользу последней, однако, говорит повышенные живучесть и маневренность, возможность осуществления парциальных режимов.

При выборе количества винтов определяющими могут стать и следующие обстоятельства: наличие подходящих двигателей, возможность их рационального размещения в корпусе, первоначальная стоимость установки и ее эксплуатации.

Что касается морских транспортных судов, то тут превалируют соображения экономического характера, поэтому большинство из них -- одновальные. Исключение составляют крупные быстроходные суда: пассажирские и грузовые лайнеры и др. Необходимая мощность может оказаться слишком велика, чтобы ее можно было получить в одном агрегате либо эффективно переработать одним винтом.

Направление вращения гребного винта не сказывается на его эффективности. Для одновинтовых судов оно определяется устанавливаемым двигателем. Бортовые винты должны вращаться в противоположные стороны во избежание уваливания судна с прямого курса. При этом считается, что во избежание попадания плавающих предметов между корпусом и винтами вращение последних должно быть наружным, т. е. лопасти в верхнем положении должны двигаться от корпуса.

Подбор гребных винтов по диаграммам. Проектирование гребных винтов транспортных судов, как правило, сводится к выбору оптимального винта. При этом он должен обладать необходимой прочностью и удовлетворять условию отсутствия негативных последствий кавитации. В случае, когда требуется обеспечить судну заданную скорость, оптимальность винта означает минимальную мощность механической установки. Если заданы характеристики двигателя, оптимальный винт позволяет судну двигаться с наибольшей скоростью.

Все задачи, связанные с проектированием гребного винта, в том числе и оптимального, эффективно могут решаться с помощью диаграмм для расчета гребных винтов. Исходной информацией при этом являются известные геометрические элементы гребного винта: D max , Z p , A e /A q и характеристики взаимодействия W T , t, i Q . Практически все многообразие заданий на проектирование гребных винтов можно свести к четырем основным типам, для каждого из которых используется своя расчетная схема.

Схема I. Заданы: скорость судна и; расчетное сопротивление R, диаметр винта D. Оптимальный гребной винт находится с помощью коэффициента задания K dt (см. (18.8)), вычисляемого с учетом того, что винт работает за корпусом судна:

На диаграмме, соответствующей элементам задания А е /А 0 , Z p на линии K bt opt находят точку, отвечающую рассчитанному значению (20.2) этого коэффициента, снимают величины P/D, J, Кт, з 0 . Искомые значения оптимальной частоты вращения двигателя и его мощности P S находятся по очевидным формулам:

где з D =з н з 0 -- пропульсивный коэффициент; з s - КПД передачи мощности.

Потери энергии в валопроводе зависят от его длины (МО в середине, в корме, промежуточное положение) и составляют (1-3) %. Соответственно при прямой передаче мощности: двигатель--вал--движитель з s - 0,99 - 0,97. Наличие дополнительного звена -- механического редуктора либо гидромуфты -- увеличивает потери мощности, при этом з s= 0,940,96. Еще меньшие значения КПД имеют место при электрической (дизель-генератор--электродвигатель--вал--винт) передаче мощности: з s = 0,880,90.

Использование коэффициента K dt фактически означает задание коэффициента нагрузки, а вместе с ним и предела коэффициента полезного действия з 0 , что ограничивает возможности оптимизации винта. Поэтому часто ту же задачу решают с помощью коэффициента задания K nt .

Схема 2. Исходные величины те же, что и в схеме 1. Задавая ряд значений частоты вращения винта п, для каждой из них с учетом взаимодействия винта и корпуса определяют

находят на линии K nt opt диаграммы соответствующую точку, снимают относительную поступь J, а затем ее корректируют:

Указанная корректировка необходима для учета влияния корпуса: в связи с тем, что t(J) максимумы функций з 0 (J) и з D (J) не совпадают, т. е. диаметр оптимального винта в свободной воде и за корпусом не одинаковы. Корректировка поступи фактически означает корректировку оптимального диаметра.

Для гребных винтов в ДП б =1,05, для бортовых винтов, где влияние корпуса слабее, б=1,03. Последовательность дальнейших расчетов: J" Dopt Кт P/D з 0 P s ; их удобнее выполнять в табличной форме.

По результатам расчетов строят графические зависимости Ps(n) и Dopt(n), а затем выбирают гребной винт, обеспечивающий P s min. Очевидно, что практический интерес представляют только те варианты, при которых Dopt < Dmax. Для винтов транспортных судов обычно искомый вариант P S min соответствует максимальной величине диаметра.

Пример реализации указанной схемы расчета оптимального гребного винта -- см. в таблицу 22.2. Схема 3. Заданы R, v, D и n. Находят значения К т и J (с учетом взаимодействия), которые однозначно определяют координаты точки, соответствующей искомому винту. С диаграммы снимаются величины P/D, з 0 затем рассчитывают мощность механической установки P s .

Рассматриваемая схема исключает любые вариации, полученный гребной винт не является оптимальным.

В приведенных выше схемах заданы характеристики корпуса -- скорость и сопротивление, а искомой является мощность двигателя. Для решения таких задач и предназначены корпусные диаграммы.

В том случае, когда задаются характеристики двигателя, логичнее было бы использовать машинные диаграммы. Однако и эти задачи могут столь же эффективно решаться с помощью корпусных диаграмм.

Схема 4. Исходные данные: зависимость сопротивления судна от скорости R(v) и характеристики главной механической установки Ps, n.

В районе предполагаемой скорости задаются несколькими ее значениями и для каждого из них рассчитывают коэффициент задания Кот. Дальнейший расчет идентичен таковому в схеме 2. Построив по его данным зависимости Ps (v), D(v) и P/D = f(v), находят искомые характеристики винта в точке, где мощность равна заданной P s (v) =Р s зад. В этом варианте предполагается, что диаметр винта не ограничен. В наиболее интересном с практической точки зрения случае диаметр винта всегда имеет верхний предел D max . Тогда для скоростей, при которых Dopt Dmax, расчет ведется по схеме 2, а при Dopt > Dmax -- по схеме 3. В последнем случае принимают D = D max и выбранный винт, строго говоря, уже не будет оптимальным.

Пример такого расчета -- см. в таблице 22.3, в первых четырех столбцах которой Dopt < Dmax и принимается D = Dopt, а в пятом Dopt > Dmax, в связи с чем принято D=Dmax. В последнем случае КПД винта мало отличается от з 0max , поскольку невелики и различия в Dopt и Dmax. Однако, если ограничение диаметра винта при заданных характеристиках двигателя (P s , n) приводит к существенному снижению пропульсивного коэффициента, то решается вопрос о редукции частоты вращения. Такая ситуация возможна, когда по каким-либо причинам не удается подобрать подходящий двигатель. В этом случае расчет винта можно вести по схеме I для нескольких скоростей движения.

Обычно проектирование гребного винта выполняется в несколько этапов. На первом определяются основные геометрические параметры (D, A E /A 0 , Z p) и коэффициенты взаимодействия винтаи корпуса (Wt, t, i q). Далее рассчитывают гребной винт, обеспечивающий заданному судну заданную скорость (схемы 1 или 2) и находят необходимые для этого характеристики (P s , n) главной механической установки. Затем выбирают двигатель, мощность и частота вращения которого в наибольшей степени отвечают требуемым. На заключительном этапе рассчитывают гребной винт, обеспечивающий проектируемому судну с выбранным двигателем максимальную достижимую скорость.

Для подбора двигателя можно пользоваться каталогами отечественных и зарубежных фирм, а также таблица 20.1, где приведены основные характеристики некоторых судовых малооборотных дизелей, выпускаемых консорциумом «МАН-Бурмейстер и Вайн». ДВС этой фирмы широко применяют на отечественных судах.

Расчет гребного винта с использованием вихревой теории. Проектирование гребных винтов с помощью диаграмм имеет и недостатки: выбирается оптимальный винт в пределах рассматриваемой серии, не учитывается неравномерность поля скоростей за корпусом судна. В связи с первым обстоятельством не гарантировано получение максимально возможного КПД, второе может привести к повышенной виброактивности гребного винта и его неудовлетворительным кави-тационным качествам. Последнее особенно важно для винтов быстроходных судов. Указанных недостатков можно избежать, используя вихревую теорию гребного винта. В ее основе -- вихревая теория крыла, в которой воздействие крыла на окружающую жидкость заменяется воздействием эквивалентного вихря. Из курса гидромеханики известно, что крыло бесконечного размаха с неизменной хордой может быть заменено присоединенным вихрем, имеющим такую же циркуляцию. Крыло конечного размаха заменяется П-образным вихрем постоянной циркуляции, состоящим, из присоединенного (в пределах крыла) вихря и двух свободных, распространяющихся в бесконечность по направлению скорости набегающего потока. Если хорда не постоянна по размаху крыла, оно заменяется присоединенным вихрем переменной циркуляции, а сбегающие с каждой его точки свободные вихри образуют вихревую пелену. И, наконец, крыло можно заменить системой присоединенных вихрей переменной циркуляции. Последняя схема в наибольшей степени подходит для широких крыльев сложной формы.

Указанные операции преследуют одну цель -- с помощью теоремы Био-Савара определить вызванные свободными вихрями скорости в любой точке потока. Эти скорости направлены по нормали к скорости набегающего потока. Они приводят к уменьшению угла атаки -- скосу потока, что влечет за собой снижение подъемной силы крыла и увеличение его сопротивления. Таким образом, задача определения сил, действующих на крыло конечного размаха, практически сводится к нахождению вызванных свободными вихрями скоростей. Лопасти те же крылья малого удлинения, следовательно, вихревая теория может с успехом применяться и для расчета гребного винта. Впервые эта идея была высказана в начале нашего века Н. Е. Жуковским, который считается родоначальником вихревой теории гребного винта. С ее помощью решаются обе задачи: прямая -- поверочный и обратная -- проектировочный расчет гребного винта. В обоих случаях учитываются индивидуальные особенности поля скоростей за корпусом судна.

Таблица 20.1 Характеристики некоторых судовых малооборотных дизелей (МОД)

Марка дизеля	Частота вращения n, об/мин	Агрегатная мощность Р тыс. кВт, при числе цилиндров

Примечания: 1. Двигатели типа ДКРН -- двухтактные крейцкопфные, с газотурбонаддувом, цифры за буквенным обозначением означают диаметр цилиндра и ход поршня, см.

• 2. В таблице приведены номинальные значения мощности Р зи и частоты вращения п н.
• 3. Пример записи характеристик 12-цилиндрового двигателя: 12 ДКРН 90/292, P SH =34 900 кВт, п н =58 об/мин.

Условие оптимальности винта при его проектировочном расчете-- достижение наивысшего пропульсивного коэффициента при выполнении требований задания и отсутствии вредных последствий кавитации. Другими словами, проектируется гребной винт, приспособленный к заданному попутному потоку. В результате такого расчета получают геометрические характеристики гребного винта -- распределение относительной кривизны профиля лопасти и шагового отношения по радиусу: и

Результатом поверочного расчета является распределение нагрузки по радиусу винта заданной геометрии в функции от его режима работы, относительной поступи:

В свою очередь эти зависимости позволяют найти силы, действующие на отдельные лопасти:

и на винт в целом:

Выражение (20.6) учитывает, что в общем случае при работе в неравномерном поле скоростей упоры и моменты, создаваемые отдельными лопастями, не одинаковы.

Рассчитав упор и момент для различных фиксированных значений относительной поступи винта, можно получить его ГДХ в свободной воде.

Поверочный расчет гребного винта широко используется при анализе его прочности, проверке на кавитацию, при изучении периодических усилий, возникающих на лопастях в неравномерном поле скоростей.

Ледовые гребные винты и их особенности. К гребным винтам ледоколов и судов активного ледового плавания предъявляются следующие специфические требования: высокая прочность, обеспечивающая работу в ледовых условиях, достаточная эффективность при движении передним и задним ходом с малыми скоростями, т. е. на режимах, близких к швартовному. Желательно, чтобы винты имели съемные лопасти, замена которых в случае поломки могла осуществляться судовыми средствами. В отечественной практике широкое применение находят ледовые гребные винты, разработанные М. А. Игнатьевым. Эти винты имеют четыре лопасти -- поломка одной изкрупные льдины. Контур спрямленной поверхности имеет симметричную форму, профиль сечения лопасти двояковыпуклый, обеспечивающий прочность и достаточную эффективность на заднем ходу. Увеличенный диаметр ступицы dн = 0,28 позволяет устанавливать съемные лопасти. На основании испытания серии моделей М. А. Игнатьевым были созданы расчетные диаграммы для проектирования гребных винтов ледоколов (Z p = 4; А е /А 0 =0,5; P/D = 0,41,2), которые можно найти в специальной литературе.

При проектировании гребных винтов ледоколов их элементы выбирают таким образом, чтобы в расчетном режиме можно было обеспечить максимальный упор на единицу мощности главной механической установки. В качестве расчетного обычно принимают режим движения в тяжелых либо предельных льдах с малой скоростью.

При заданных мощности двигателя и диаметре гребного винта максимальный удельный упор достигается при условии

Тогда выбор ледового винта сводится к построению по данным диаграммы зависимости q = f(P/D) при расчетном значении относительной поступи. Максимум этой функции будет соответствовать оптимальному с указанных позиций шаговому отношению. Для ледовых винтов расчетная поступь лежит в пределах J = 00,2, оптимальное шаговое отношение при этом составляет P/D = 0,700,80.

Диаметр винта ледокола выбирают максимально возможным, при этом максимален должен быть и удельный упор. Однако практика позволила выработать рекомендации: чтобы уменьшить вероятность взаимодействия гребного винта с плавающими на поверхности воды крупными льдинами, его ось должна быть достаточно заглублена, что возможно при условии, когда диаметр не превышает (55--60) % осадки.

Большая подводимая к ледовому винту мощность, повышенная толщина лопасти, малые значения относительной поступи на рабочих режимах -- все это способствует возникновению кавитации. Основной способ ее отделения -- увеличение дискового отношения.

При работе во льдах существенно изменяются ГДХ гребного винта: упор падает, момент возрастает, заметно снижается КПД. Достоверная оценка этих изменений -- одна из проблем, возникающих при расчете ледовых гребных винтов. Проектирование осложняет и то обстоятельство, что практически не существует систематических данных о взаимодействии гребного винта и корпуса в водно-ледяном потоке.

Гребные винты для судов активного ледового плавания занимают промежуточное положение между винтами транспортных судов и ледоколов.

Сегодня на ледоколах в основном используются винты фиксированного шага (ВФШ). Лучшим приводом в этом случае является гребной электродвигатель, обеспечивающий значительное повышение момента на валу при взаимодействии винта со льдом и тем самым снижающий вероятность заклинки винта. Кроме того, электродвигатель уменьшает время реверса, повышает маневренность судна. Поэтому, даже несмотря на довольно высокие потери мощности в передаче, электродвижение находит широкое распространение на ледоколах и судах активного ледового плавания.

В последнее время наблюдается тенденция использования на этих судах ВРШ, в том числе и в насадках. Применение таких винтов в сочетании с двигателем внутреннего сгорания или турбиной снизит потери энергии в передаче. Насадка обеспечивает повышение упора на швартовах, управление лопастями-- достаточную маневренность. Однако подобная пропульсивная установка имеет и ряд существенных недостатков: обломки льда, попадая в насадку, приводят к резкому усилению вибрации кормовой оконечности; начальная стоимость, эксплуатация и ремонт в случае поломки ВРШ существенно выше, чем у ВФШ,

Прочность гребных винтов. Лопасть представляет собой винтообразной формы оболочку, имеющую переменную вдоль радиуса ширину, толщину и кривизну. Ее можно рассматривать как консольную балку, жестко заделанную в корневом сечении. Под действием внешних нагрузок: упора, сопротивления вращению, центробежных сил -- лопасть подвергается кручению, изгибу, растяжению, т. е. испытывает сложное напряженное состояние. них представляет не слишком большую опасность, а в межлопастное пространство не могут попасть

Расчет прочности лопасти, как обычно, включает три задачи: определение внешних сил и внутренних напряжений, назначение обоснованного запаса прочности.

Внешние силы обычно разделяют на две категории: стационарные и периодические, возникающие в основном вследствие неравномерности поля скоростей.

На сегодняшний день проблему определения внешних сил можно считать практически решенной. Для гребного винта заданной геометрии, работающего в заданном поле скоростей, поверочный расчет позволяет определить как средние, так и амплитудные значениях всех перечисленных выше видов нагрузок, действующих на лопасть.

Несколько сложнее обстоит дело с определением сил внутренних, однако для винтов с не слишком большим дисковым отношением существуют достаточно надежные способы расчета этих напряжений.

Расчеты, выполненные для гребных винтов транспортных судов, показыва...

В заключение отметим, что точное определение напряжений в лопастях в различных условиях эксплуатации (реверс, движение на волнении и др.) пока еще не всегда возможно. Это компенсируется значительными запасами прочности, вводимыми при назначении допускаемых напряжений.

На предварительных стадиях расчета винта для оценки его прочности можно использовать выражение (20.1).